La magnesita es un mineral con la fórmula química Mg C O
3( carbonato de magnesio ). El hierro , el manganeso , el cobalto y el níquel pueden aparecer como aditivos, pero solo en pequeñas cantidades.
La magnesita se presenta en forma de vetas y como producto de alteración de rocas ultramáficas , serpentinitas y otros tipos de rocas ricas en magnesio, tanto en terrenos metamórficos de contacto como regionales . Estas magnesitas suelen ser criptocristalinas y contienen sílice en forma de ópalo o sílex .
La magnesita también está presente dentro del regolito sobre rocas ultramáficas como un carbonato secundario dentro del suelo y el subsuelo , donde se deposita como consecuencia de la disolución de minerales que contienen magnesio por el dióxido de carbono en las aguas subterráneas.
El avance reciente en el campo de la geoquímica de isótopos estables es el estudio de la estructura isotópica de minerales y moléculas. Esto requiere el estudio de moléculas con alta resolución, observando el escenario de enlaces (cómo se unen entre sí los isótopos pesados), lo que conduce al conocimiento de la estabilidad de la molécula en función de su estructura isotópica.
El oxígeno tiene tres isótopos estables ( 16 O, 17 O y 18 O) y el carbono tiene dos ( 13 C, 12 C). Una molécula de 12 C 16 O 2 (compuesta solo con los isótopos más abundantes de los elementos constituyentes) se llama especie " monoisotópica ". Cuando solo un átomo se reemplaza con un isótopo pesado de cualquier elemento constituyente (es decir, 13 C 16 O 2 ), se llama especie "simplemente sustituida". Del mismo modo, cuando dos átomos se reemplazan simultáneamente con isótopos más pesados (por ejemplo, 13 C 16 O 18 O), se llama especie "doblemente sustituida". La especie "agrupada" ( 13 C 16 O 18 O) para CO 2 es una molécula de CO 2 doblemente sustituida . Las moléculas sustituidas isotópicamente tienen mayor masa. Como consecuencia, la vibración molecular se reduce y la molécula desarrolla una energía de punto cero más baja (ver Efecto isotópico cinético ).
La abundancia de ciertos enlaces en ciertas moléculas es sensible a la temperatura a la que se formaron (por ejemplo, abundancia de 13 C 16 O 18 O en carbonatos [6] como enlace 13 C- 18 O). Esta información se ha explotado para formar la base de la geoquímica de isótopos agrupados . Se han establecido termómetros de isótopos agrupados para minerales de carbonato como dolomita , [7] [8] calcita , [9] siderita [10] etc. y compuestos no carbonatados como metano [11] y oxígeno . [12] Dependiendo de la fuerza de los enlaces catión-carbonato oxígeno (es decir, Mg-O, Ca-O), diferentes minerales de carbonato pueden formar o preservar firmas isotópicas agrupadas de manera diferente.
El análisis isotópico agrupado tiene ciertos aspectos, que son:
El análisis isotópico agrupado se realiza generalmente mediante espectrometría de masas con fuente de gas , donde el CO2 liberado de la magnesita por digestión con ácido fosfórico se introduce en el espectrómetro de masas de relación isotópica. En tal escenario, es necesario asegurarse de que la liberación de CO2 de la magnesita sea completa. La digestión de la magnesita es difícil, ya que lleva mucho tiempo y diferentes laboratorios informan diferentes tiempos y temperaturas de digestión (desde 12 horas a 100 °C [13] hasta 1 hora a 90 °C [14] en ácido fosfórico ). Debido a la digestión a esta alta temperatura, algunos de los enlaces 13 C- 18 O en el CO2 liberado se rompen (lo que lleva a una reducción en la abundancia de CO2 "agrupado" ) durante la digestión con ácido fosfórico de carbonatos. Para tener en cuenta este (artefacto analítico) adicional, se agrega una corrección llamada "corrección de fraccionamiento de ácido" al valor del isótopo agrupado de magnesita obtenido a la temperatura de digestión.
Dado que el gas CO2 se libera del mineral de carbonato durante la digestión ácida, dejando un O2 atrás, se produce un fraccionamiento y la composición isotópica del gas CO2 analizado debe corregirse en función de esto. Para la magnesita, la ecuación del factor de fraccionamiento ( α) más confiable se da como: [15]
10 3 ln(α) = [(6,845 ± 0,475)∗10 5 /T 2 ] + (4,22 ± 0,08); T en K
Diferentes investigadores también han utilizado otros factores de fraccionamiento como el factor de fraccionamiento de dolomita. [16]
Al medir muestras de composición desconocida, es necesario medir algunos materiales estándar (consulte Materiales de referencia para análisis de isótopos estables ). Con los estándares internos y los materiales de referencia, la sesión analítica se monitorea de manera rutinaria. Los materiales estándar son principalmente calcita y mármol.
Para convertir los datos de isótopos agrupados en temperatura, se requiere una curva de calibración que exprese la forma funcional de la dependencia de la temperatura de la composición de isótopos agrupados. No existe una calibración específica de minerales para la magnesita. Con base en algunos datos experimentales [14] donde la temperatura de precipitación mineral y la temperatura derivada de isótopos agrupados no coinciden, surge la necesidad de una calibración específica de minerales. El desajuste surge porque la unión en la magnesita es diferente de la calcita/dolomita y/o la digestión ácida se lleva a cabo a una temperatura más alta.
Utilizando la temperatura derivada de isótopos agrupados, la composición isotópica de C y O del fluido parental se puede calcular utilizando factores de fraccionamiento de isótopos de magnesita-fluido conocidos, ya que el fraccionamiento depende de la temperatura. Los factores de fraccionamiento de isótopos de O y C de magnesita-fluido informados en la literatura no concuerdan entre sí. [14] Los comportamientos de fraccionamiento no han sido corroborados por la observación experimental.
A baja temperatura, se forman carbonatos de magnesio hidratados ( hidromagnesita , nesquehonita , etc.). Es posible convertir estas fases en magnesita modificando la temperatura por disolución-precipitación o deshidratación del mineral. Mientras esto sucede, un efecto isotópico asociado puede controlar la composición isotópica de la magnesita precipitada.
Los procesos de desequilibrio como la desgasificación, la rápida absorción de CO2 , etc. modifican la composición isotópica agrupada de los minerales carbonatados, especialmente a bajas temperaturas. Enriquecen o agotan de forma variable el sistema en isótopos pesados de C y O. Dado que la abundancia de isótopos agrupados depende de la abundancia de isótopos de C y O, también se modifican. Otro efecto muy destacado aquí es el del pH del fluido precipitante. [17] A medida que cambia el pH del fluido precipitante, se ve afectado el depósito de DIC y cambia la composición isotópica del carbonato precipitante.
Las magnesitas cristalinas y criptocristalinas tienen estructuras minerales muy diferentes. Mientras que la magnesita cristalina tiene una estructura cristalina bien desarrollada, la magnesita criptocristalina es amorfa, en su mayoría un agregado de granos finos. Dado que la composición isotópica agrupada depende de enlaces específicos, es muy probable que la diferencia en la estructura cristalina afecte la forma en que se registran las firmas isotópicas agrupadas en estas diferentes estructuras. Esto lleva al hecho de que sus firmas prístinas podrían modificarse de manera diferente por eventos térmicos posteriores como diagénesis / calentamiento por enterramiento, etc.
La magnesita se puede formar a través del metasomatismo de carbonato de talco de peridotita y otras rocas ultramáficas. La magnesita se forma a través de la carbonatación de olivino en presencia de agua y dióxido de carbono a temperaturas elevadas y presiones altas típicas de la facies de esquisto verde .
La magnesita también se puede formar a través de la carbonatación de serpentina de magnesio (lizardita) mediante la siguiente reacción :
Sin embargo, al realizar esta reacción en el laboratorio, la forma trihidratada del carbonato de magnesio (nesquehonita) se formará a temperatura ambiente. [18] Esta misma observación condujo a la postulación de una "barrera de deshidratación" involucrada en la formación a baja temperatura de carbonato de magnesio anhidro. [19] Los experimentos de laboratorio con formamida , un líquido parecido al agua, han demostrado que no puede estar involucrada tal barrera de deshidratación. La dificultad fundamental para nuclear carbonato de magnesio anhidro permanece cuando se utiliza esta solución no acuosa. No es la deshidratación de cationes, sino más bien la configuración espacial de los aniones de carbonato lo que crea la barrera en la nucleación a baja temperatura de la magnesita. [20]
Se ha encontrado magnesita en sedimentos, cuevas y suelos modernos. Se sabe que su formación a baja temperatura (alrededor de 40 °C [104 °F]) requiere alternancias entre intervalos de precipitación y disolución. [21] [22] [23] La formación a baja temperatura de magnesita bien podría ser de importancia para el secuestro de carbono a gran escala . [24] Vandeginste describió un gran paso adelante hacia la producción industrial de magnesita a presión atmosférica y una temperatura de 316 K. [25] [26] En esos experimentos, pequeñas adiciones de ácido clorhídrico alternaban periódicamente con adiciones de solución de carbonato de sodio. También fue nueva la duración muy corta de solo unas pocas horas para los ciclos alternos de disolución y precipitación.
Se detectó magnesita en el meteorito ALH84001 y en el propio planeta Marte . Se identificó magnesita en Marte utilizando espectroscopia infrarroja desde la órbita de un satélite. [27] Cerca del cráter Jezero , se han detectado carbonatos de Mg y se ha informado de que se formaron en el entorno lacustre que prevalece allí. [28] Todavía existe controversia sobre la temperatura de formación de estos carbonatos . Se ha sugerido una formación a baja temperatura para la magnesita del meteorito ALH84001 derivado de Marte. [29] [30]
El olivino rico en magnesio ( forsterita ) favorece la producción de magnesita a partir de peridotita. El olivino rico en hierro ( fayalita ) favorece la producción de composiciones de magnetita-magnesita-sílice.
La magnesita también puede formarse mediante metasomatismo en depósitos de skarn , en calizas dolomíticas , asociadas con wollastonita , periclasa y talco .
Resistente a altas temperaturas y capaz de soportar altas presiones, se ha propuesto que la magnesita sea una de las principales fases que contienen carbonato en el manto de la Tierra [31] y posibles portadores de depósitos de carbono profundos. [32] Por una razón similar, se encuentra en rocas de peridotita metamorfoseadas en los Alpes centrales, Suiza [33] y en rocas eclogíticas de alta presión de Tianshan, China. [34]
La magnesita también puede precipitarse en lagos en presencia de bacterias, ya sea como carbonatos de Mg hidratados o magnesita. [35] [36]
Los isótopos agrupados se han utilizado para interpretar las condiciones de formación de la magnesita y la composición isotópica del fluido precipitante. Dentro de los complejos ultramáficos, las magnesitas se encuentran dentro de vetas y stockworks en forma criptocristalina , así como dentro de unidades de peridotita carbonatada en forma cristalina . Estas formas criptocristalinas están en su mayoría meteorizadas de forma variable y producen una baja temperatura de formación. [37] Por otro lado, las magnesitas gruesas producen una temperatura muy alta, lo que indica un origen hidrotermal . Se especula que las magnesitas gruesas de alta temperatura se forman a partir de fluidos derivados del manto, mientras que las criptocristalinas se precipitan mediante la circulación de agua meteórica, que absorbe carbono del depósito de carbono inorgánico disuelto, carbono del suelo y se ven afectadas por los efectos isotópicos del desequilibrio.
Las magnesitas que se forman en lagos y playas generalmente están enriquecidas con isótopos pesados de C y O debido a la evaporación y la desgasificación del CO2 . Esto se refleja en que la temperatura derivada del isótopo agrupado es muy baja. Estos se ven afectados por el efecto del pH , la actividad biológica y el efecto isotópico cinético asociado con la desgasificación. La magnesita se forma como moldes superficiales en tales condiciones, pero más generalmente se presenta como carbonatos de Mg hidratados ya que su precipitación es cinéticamente favorecida. La mayoría de las veces, derivan C del DIC o complejos ultramáficos cercanos (por ejemplo, Altin Playa, Columbia Británica, Canadá [38] ).
Por otra parte, las magnesitas en rocas metamórficas indican una temperatura de formación muy alta. La composición isotópica del fluido parental también es pesada, generalmente fluidos metamórficos. Esto se ha verificado mediante la temperatura derivada de la inclusión del fluido, así como mediante la termometría isotópica tradicional de O que implica la coprecipitación de cuarzo y magnesita.
A menudo, la magnesita registra una temperatura isotópica agregada más baja que la dolomita asociada, la calcita. [39] La razón podría ser que la calcita y la dolomita se forman antes a mayor temperatura (a partir de fluidos similares al manto), lo que aumenta la relación Mg/Ca en el fluido lo suficiente como para precipitar la magnesita. Como esto sucede con el aumento del tiempo, el fluido se enfría, evoluciona al mezclarse con otros fluidos y cuando forma magnesita, disminuye su temperatura. Por lo tanto, la presencia de carbonatos asociados tiene un control sobre la composición isotópica de la magnesita.
El origen de los carbonatos marcianos se puede deconvolucionar con la aplicación de isótopos agrupados. La fuente del CO 2 y las condiciones climáticas e hidrológicas en Marte se podrían evaluar a partir de estas rocas. Un estudio reciente ha demostrado (aplicando la termometría de isótopos agrupados ) que los carbonatos en ALH84001 indican una formación a baja temperatura en condiciones de evaporación a partir de agua subterránea y la derivación de CO 2 de la atmósfera marciana. [40]
De manera similar a la producción de cal, la magnesita se puede quemar en presencia de carbón vegetal para producir MgO , que, en forma de mineral, se conoce como periclasa . Se queman grandes cantidades de magnesita para producir óxido de magnesio : un importante material refractario (resistente al calor) que se utiliza como revestimiento en altos hornos , hornos industriales e incineradores .
Las temperaturas de calcinación determinan la reactividad de los productos de óxido resultantes y las clasificaciones de quemado ligero y quemado a muerte se refieren al área de superficie y la reactividad resultante del producto (esto generalmente se determina mediante una métrica industrial del número de yodo).
El producto ' ligeramente quemado ' generalmente se refiere a una calcinación que comienza a 450 °C y continúa hasta un límite superior de 900 °C, lo que da como resultado una buena área de superficie y reactividad.
Por encima de 900 °C, el material pierde su estructura cristalina reactiva y vuelve al producto " quemado a muerte " químicamente inerte, que se prefiere para usar en materiales refractarios como revestimientos de hornos.
En el ensayo de fuego, se pueden utilizar copelas de magnesita para la copelación , ya que la copela de magnesita resistirá las altas temperaturas involucradas.
La magnesita también se puede utilizar como aglutinante en materiales para pisos ( solado de magnesita ). [41] Además, se utiliza como catalizador y relleno en la producción de caucho sintético y en la preparación de productos químicos y fertilizantes de magnesio.
Se están llevando a cabo investigaciones para evaluar la viabilidad de secuestrar el gas de efecto invernadero dióxido de carbono en magnesita a gran escala. [42] Esto se ha centrado en peridotitas de ofiolitas (rocas del manto obducidas en la corteza) donde la magnesita se puede crear dejando que el dióxido de carbono reaccione con estas rocas. Se han logrado algunos avances en ofiolitas de Omán. [43] Pero el problema principal es que estos procesos artificiales requieren suficiente porosidad-permeabilidad para que los fluidos puedan fluir, pero este no es el caso de las peridotitas .
La magnesita se puede cortar, perforar y pulir para formar cuentas que se utilizan en la fabricación de joyas. Las cuentas de magnesita se pueden teñir en un amplio espectro de colores llamativos, incluido un color azul claro que imita la apariencia de la turquesa .
El artista japonés-estadounidense Isamu Noguchi utilizó magnesita como material escultórico para algunas de sus obras de arte. [44]
Las personas pueden estar expuestas a la magnesita en el lugar de trabajo al inhalarla y a través del contacto con la piel y los ojos.
La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición a la magnesita en el lugar de trabajo en 15 mg/m3 de exposición total y 5 mg/m3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg/m3 de exposición total y 5 mg/m3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. [45]